武陵山片区智能制造人才培养特色课程建设研究

罗永新， 张少军， 胡 靖

（怀化学院，湖南 怀化 418008）

1 武陵山片区智能制造人才需求基本情况

武陵山片区涉及湖北省、湖南省、贵州省、重庆市的71 个县（区、市），是一个跨省（市）交界、土地面积大、少数民族聚集、森林覆盖率较高、特色产业丰富、工业经济基础相对薄弱、产业链不甚完整、科技发展相对落后的地区[1]。从2014 年起，该地区实现了服务产业、工业产业、农业产业3 个产业GDP 贡献率从大到小依次排序的最佳结构[2]，包括怀化、恩施、吉首、铜仁、张家界、黔江6 个中心城市，成为深入推进西部大开发和促进中部崛起的重点开发区域。以怀化市为例，绿色食品加工、中药材加工、新材料制备、装配式建筑、电子通讯设备制造、桥隧装备制造、电力输配电设施制造等产业保持较快增长态势，并且市内设立了国家级高新区。怀化市“十四五”规划明确提出要加快发展电子信息、生物医药、先进桥隧装备制造、新材料（精细化工）、装配式建筑制造等产业，构建以数字经济为引领、先进制造业为重点、先进制造业与现代服务业融合发展的现代制造产业体系[3]，这些均需以智能智造为技术核心。智能制造技术及其应用在武陵山片区发展空间广、潜力大，智能制造人才将成为区域内需求量很大的人才之一。

目前，武陵山片区制造产业整体还处于机械化、电气自动化、数字信息化并存的智能制造初级阶段，呈现以下3 个特点：

1）流程制造型规模企业，如烟草加工企业、制药企业、玻璃制品企业等规模企业，对智能制造生产水平要求相对较高。此外，部分有特殊制造流程的企业如化工类企业的关键工序和产线实现了一定程度的智能制造。

2）离散制造型规模企业，如桥隧装备制造企业、农林畜牧类企业、农机企业等，对智能产品的升级和改进需求较迫切。企业由于生产场地大，有对远程安全监测与控制、农地牧场土壤数字化信息服务、自适应收获机器等各种需求，智能制造人才需求较为迫切。

3）产业升级带来了对高性能设备管理使用的智能制造人才需求的增加。

2 武陵山片区智能制造人才能力特征要求解析

基于新一代信息技术与先进制造技术深度融合的智能制造，是一种具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式[4]，岗位对传感器技术、机器人技术、先进数控装备技术、工业互联网技术、数字孪生技术等高新技术要求较高。以个性化定制为特征的用户中心生产管理新模式，对大数据、群体智能、人机融合等知识应用要求越来越高，只有计算机、电子通信、数字控制、人工智能、大数据等技术高度融合到制造设计与生产管理每个岗位，才能使智能制造流畅地完成产品生命周期各环节的生产活动。武陵山片区地处山区，山区智能制造相关产业有一定的需求，主要包括：以农业生产为中心的智能制造，如山地丘陵作物耕种收机械；以交通服务为中心的智能制造，如路桥修建、使用、管理的设备；以食品、药品深加工生产的智能制造产线等。武陵山片区的智能制造人才要求有如表1 所示的能力特征：

表1 智能制造人才能力特征结构

1）知识能力特征：有厚实的电子技术基础，能够快速地掌握各类集成电子电路板、芯片的使用与开发；有计算机软硬件基础，能够应对各类数据流的传递与交流，能较好地应用与开发高级语言支持的各种智能工具，如工业机器人、传感器等；有扎实的产品结构设计知识与工艺水平，能够很好地表达产品的三维结构，并应用智能技术实行制造工艺数字孪生流程。

2）技术能力特征：能够应用开发常见集成电子器件，如PLC 控制器；能够应用如示波器、万用表等工具检测一定范围的电子电路；能够使用大数据、云计算等分析处理产品离散性能，有效地找到制造工艺过程中的偶发事件应对处理办法；能够操控智能设备，如机器人、数字控制制造机床等；能够比较准确地描述客户个性化订制要求，运用工具迅速地表达出可操作结构图形并进行虚拟仿真。

3）人文素质能力特征：具有良好的沟通协调能力和合作能力；具有工程推介表达能力，有制订产品项目的语言文字表达水平；具有高尚的道德品格，吃苦耐劳的情怀与健全的体格，爱岗敬业的职业操守，爱党爱国的理想信念。

3 武陵山片区智能制造人才培养课程构建方案

从人才需求目标出发制订人才培养方案，可以反映知识能力培养、技术能力培养、人文素质培养的课程内容和课程结构，知识、技术、素质3 者之间既区别又联系，课程之间有融合又有明确的边界，人文素质培养将渗透到知识能力和技术能力课程内容之中。特别地，精神、品格、情怀、境界的培育与养成，将贯穿课程，成为既有具体课程支撑，又融入课程教学内容之中的思政元素[5]。武陵山片区智能制造人才培养课程构建方案如表2 所示。

表2 智能制造课程构建方案

3.1 人文素质要求的核心是热爱山区、扎根山区、奉献山区的职业情怀

课程应介绍武陵山片区风土人情，使大学生对山区有较为充分的认知；在智能制造的分析、设计、施工等作业中充分考量武陵山片区独特的地形、气候、土壤等自然环境，从而培养他们热爱山区、扎根山区、奉献山区的职业情怀。

3.2 新工科知识与技能是课程结构的精髓

地方性应用型人才培养，不仅要体现地方性，更要体现先进知识与技术的应用，包括先进的信息技术、远程控制技术、物联网技术、深度学习的智能机器自感知、自适应、自决策、自执行的人工智能，新的制造工艺，新的制造材料，新型制造设备等，这些是智能制造特色课程中要准确传递的知识架构，是课程构建中应不断改进的教学内容。

3.3 问题导向式的课程内容是课程结构的主要表达形式

问题导向是一种务实的思维方式[6]，课程通过提出问题、分析问题、解决问题的逻辑构建教学内容、形成教学案例。生动有趣、丰富多彩的课程内容，能够将学生带进专业领域的深海、行业的高峰。在解决一个又一个专业问题的同时，学生学会了专业知识，获得了学习专业的兴趣。项目式教学是灵活地组织问题导向式教学的好形式，用由浅入深、由简单到复杂、由入门到专业精通的项目组成课程内容，能够很好地表达智能制造专业知识体系。

3.4 以学生为中心的教学过程是课程结构活的灵魂

“金课”和“水课”的本质区别是教学效果不同。课程是“金课”，则学生的课程“获得感”强[7]，学生从课程中学会分析问题、解决问题的能力越强。若学生在课程中能力得不到提高、学不到解决问题的办法，这个课程就是“水课”。为了让学生扎根武陵山片区，课程中就要有更多的武陵山片区的智能化知识与技能，学生需要掌握武陵山片区特殊的智能制造技术与方案。

3.5 信息化网络化的教学过程是课程结构的重要组织构架

智能制造是新一代信息技术与先进制造技术深度融合的新工科，信息技术、网络技术是非常高效、适宜的教学工具和教学实施载体[8]。将新兴生产模式与信息化网络化控制技术相结合，可以让学生切身感受智能制造技术的信息化网络化承载和传播模式。

3.6 学生自我反思教学效果是课程评价主体形式

智能制造是一种融合了自感知、自适应的制造技术，与此对应，课程教学也可融合学生对学习的自我评价，以此来促进学生自身的学习成长，这样才能更加契合智能制造的课程特点。学生掌握了自我反思的学习方法，并通过反思来修正学习过程中的不足，就更容易理解智能制造自学习、自感知、自适应、自执行的制造新理念[9]。

4 武陵山片区智能制造人才培育特色课程及实践

怀化学院是怀化市唯一的综合性应用型本科高校，也是武陵山片区6 个中心城市中重要的本科高校之一，本科专业有48 个，面向全国27 个省市招生，与美国、英国等18 个国家和地区的35 所高校签署了合作协议，在美国、西班牙、俄罗斯等13 个国家招生①。学校坚持“建应用型学科、办应用型专业、做应用型研究、育应用型人才、建应用型大学”的办学方针，“改革创新、稳中快进”，立足怀化、服务湖南、面向西南、辐射全国，以问题为导向，促进应用科学研究，以培养应用型人才为目标，服务地方，引领地方经济社会发展。为办好工科类专业，加强智能制造新工科专业建设，2022 年5 月，学校组建了物电与智能制造学院，为智能制造人才培养提供了更好的办学条件。以此为契机，依据前述智能制造人才需要目标和人才培养课程构建方案，我们进行了先进制造技术课程的建设与教学实践。

4.1 课程框架与教学设计

智能制造是一种先进的制造技术，在智能制造专业群里开设先进制造技术课程，就必须对目前已有的先进制造方法进行归纳总结，选择有代表性、武陵山片区急需的先进制造方法作为课程内容。结合学校教学条件，我们将课程划分为3D 打印技术、激光雕切技术、数控车技术、数控铣技术、智能制造产线5 个模块，并遵循项目形式重排教学内容，如图1 所示，课程课堂授课60 学时，4 学分。课程突出专业技能与专业知识培养，突出问题导向式教程编排。教师在课程实施过程中融入思想政治元素，以学生为中心、以学生自我学习和自我评价为主线设计学习项目。教师从简单到复杂，从人工操作到自动化网络化技术应用，从单个技术训练到先进制造技术综合应用，再到智能制造产线开展项目式教学。在重点难点等关键项目上教师要充分发挥对学生的引导作用，充分调动学生课内课外的学习积极性，把控好课程教学安全问题。学生不仅要了解智能制造的技术要求，还要学会使用、创新智能制造技术，为服务武陵山片区智能制造打下坚实的知识与技术基础。

图1 先进制造技术课程结构

4.2 课程实施

3D 打印技术和激光雕切技术这2 个模块主要由学生自学完成。学院成立机械协会这一学生社团组织，社团以传帮带的形式组织学习，开展协会活动，以学生自主制造完成一定量的作品为考核依据。在激光雕切技术模块实施中，教师要强调防激光伤害和设备使用安全，督查学生安全防护。在这2 个模块的教学过程中，学院鼓励学生以满足片区需求为目标的创新设计与成品制造，学生通过完成竞赛如机械创新设计大赛作品等形式完成课程学习。

数控车技术和数控铣技术这2 个模块，由任课教师指导学生完成学习任务。学生在教师指导下完成自动编程和模拟加工后才能上机床执行实体加工。机床操作训练是教学过程的重点，任课教师先培训一组骨干学生（6 ～10 人），然后以这些学生为组长，将学生分组。在任课教师的指导和督导下，各组长带领自己的小组成员进行训练，学生要将自动编程的程序传输到机床数控系统，并完成实体加工。在加工实施过程中，教师对精度控制与制造工艺进行详细讲授，引导学生自主探索机械制造工艺理论和工艺技能。

智能制造产线模块采用教师演示与学生探索相结合的方式进行授课，教师讲授产线各模块功能和操作规程后，学生依据产线实验指导书自主操作。如图2 所示，怀化学院智能制造产线由4 台机器人，钻孔、激光打标、冲压折弯等3 个加工位，1 条椭圆形传输线、1 个滑动运输线、1 个材料库和1 个工件库等部分组成。生产流程和控制过程比较复杂，学生必须经过较长时间的探索才能掌握产线的使用。

图2 智能制造产线

5 特色课程建设和教学实践的经验

区域性应用型大学的内涵建设之一是特色专业建设，特色专业的内涵建设之一是特色课程建设。在地方性应用型高校建设新工科专业过程中，在仔细调研区域内新技术新人才需求的基础上，教师要利用先进生产工具与技术，开发具有地方性的特色课程。从人文素质、新工科专业知识与技能要求、问题导向式课程结构、学生中心观教学方法、信息化网络化的教学资源、学生自我反馈的评价机制等6 个方面建设特色课程，并应用于教学实践，能取得较好的课程建设和教学效果。经过1 年的教学实践，学生们较好地完成了以课堂教学为主的数控车技术、数控铣技术2 个模块，绝大多数学生掌握了3D 打印技术与激光雕切技术，并提升了计算机3D 辅助设计技能，部分学生掌握了智能产线的操作使用，提升了智能制造技术能力。通过先进制造技术课程的建设与教学实践，我们获得了如下经验。

5.1 需求导向是区域性特色课程构建的活水源泉

教什么是课程建构的主要内涵，一门特色课程要区别于其他课程，教学内容是课程特色的重要表现。区域性本身就是特色，但为了体现区域性的育人功能，教学内容必须紧贴区域经济活动需求，特别是对人才素质的要求。调研是寻求特质教学内容的重要手段，特别是课程团队成员广泛地、深入地实地考察，到典型企业或社区进行实践体验，甚至参与创新实践，是挖掘特色课程教学内容最重要的手段。先进制造技术课程团队成员为构建课程内容对怀化市及周边地区进行了较为宽泛的调查[10]，发现并整理了许多有鲜明特色的教学案例。

5.2 问题导向、主动实践是区域性特色课程需要贯彻始终的教学方式

课程构建不能脱离课程大纲，重构课程往往需要教师在教学内容编排上下功夫，在教学方式上下功夫。学生在“做中学”是应用型高校课程教学的有效方法。在实践中，学生怎样“做中学”形成了很多范式，各有优缺点，比如基于工作过程导向的课程范式，也是强调学生在“做中学”的，但是这对课程场景要求较高，投入的教学成本过高。项目式课程设计能有效地进行因材施教，达成问题导向、主动实践的教学效果。开放式、多样化的项目执行方式很好地照顾了学生们的学习差异，课程特色明显。在项目实施过程中，学生们经过独立思考，主动与教师交流，从不同角度发现项目内涵、探索项目实质，这使不同学生有不同的收获，得到不一样的学习成就。实践表明，项目式课程结构较为灵活地解决了课程成本问题，能够扩大课程应用场景，保证课程教学过程流畅。经过项目实践后，学生们不仅提高了实践动手能力，提高了独立思考、团结协作的能力，而且还普遍养成反思的学习习惯[11]。

5.3 学生中心的课堂构建要抓住“教”是为了“学”，为了“学好”始终要执行的“教好”行动

1）学生的学习自觉性与自主性成正相关，但学生的自觉性培养也需要设计与制度保证。实践表明，项目化模块化教学设计，可以将项目教学内容与生产实际联系起来。引入新技术，加强项目教学趣味性，能够较好地吸引学生的注意力，激起学生的兴趣，为学生自主学习提供动力，提高学习的自觉性。但教学管理仍然是十分必要的，如规定学生需要完成一定数量的作品才能保证项目考核合格。将项目管理纳入教学评价中，能够更有效地督促学生自觉学习。

2）加强课堂外的教学辅导和督查，组织学生学习是保证课程质量的重要措施，是提高课程教学质量的重要保证。地方性应用型高校的部分大学生没有养成良好的学习习惯，他们仍然需要老师们教导。自主学习不能是完全放任学生自学，教师的课外辅导相当重要，课前督查不能缺少。

3）课堂内外结合能较好地执行以学生学习为中心的教学方法，提升学生学习能力。我们认为，以学生的学习为中心，不应该减少课堂教学的讲授内容，而应该将课堂外的学生自主学习作为学生中心的重点。学生没有课外学习时间的保证，课程教学很难有高质量的项目教学成果；没有课堂内的教师有效教学引导，也会使学生的项目执行不理想。课内施教，课外拓展仍然是学生自主学习很有效的教学方法。

区域性特色课程建设是一项较为复杂而又紧迫的工作，它是地方高校培养应用型人才、提升服务地方经济社会发展能力的重要保障。武陵山片区高校的智能制造专业特色课程建设必须紧扣武陵山片区的产业要求，落实以学生为中心的教育理念，将复杂的课程内容进行项目化重构。在教学过程中，采取学生自主学习与教师跟进引导相结合的教学方式，调动学生在课堂内和课堂外实践的积极性，能够取得良好的育人效果。